1、原子物理學 原子核是原子的中心體，研究這個中心體的特性、原子核是原子的中心體，研究這個中心體的特性、結構和變化等問題的一門科學稱為原子核物理學。結構和變化等問題的一門科學稱為原子核物理學。 關于原子核的知識可以分為兩個方面，關于原子核的知識可以分為兩個方面，一方面是對一方面是對原子核的結構、核力、核反應等問題原子核的結構、核力、核反應等問題的研究，這些是涉的研究，這些是涉及物質結構的基本問題的。研究的目的是為了了解自然，及物質結構的基本問題的。研究的目的是為了了解自然，掌握自然規(guī)律，為更多地利用自然開辟道路的；掌握自然規(guī)律，為更多地利用自然開辟道路的；另一個另一個方面是原子能和放射性的應用方面

2、是原子能和放射性的應用。上述兩方面的研究有密。上述兩方面的研究有密切聯系，是互相推動前進的。對原子核的研究在理論上切聯系，是互相推動前進的。對原子核的研究在理論上和應用上都有重要性。和應用上都有重要性。第十章第十章 原子核原子核1原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質 本節(jié)討論原子核作為一個整體所具有的性質，不涉本節(jié)討論原子核作為一個整體所具有的性質，不涉及原子核內部結構和變化問題。這些基本性質對原子和及原子核內部結構和變化問題。這些基本性質對原子和組成的分子都有影響，可以從有關原子和分子的研究推組成的分子都有影響，可以從有關原子和分子的研究推斷出來。對有些性質也需要直

3、接對原子核進行研究方能斷出來。對有些性質也需要直接對原子核進行研究方能有準確的結論。有準確的結論。第十章第十章 原子核原子核2原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質1 1、原子核的電荷、原子核的電荷 原子核帶正電，數值總是最小電量單位（庫侖原子核帶正電，數值總是最小電量單位（庫侖) )的的整數倍。與元素周期表中的原子序數整數倍。與元素周期表中的原子序數Z Z是一致的。原子是一致的。原子序數序數Z Z可以從不同的實驗測得。自然界中原子序數最高可以從不同的實驗測得。自然界中原子序數最高的元素是鈾，它在周期表中居第的元素是鈾，它在周期表中居第9292位，它的原子核就帶位，它的

4、原子核就帶有有9292倍最小電量單位的正電荷。人工合成的元素的倍最小電量單位的正電荷。人工合成的元素的Z Z值值已超過已超過100100了。了。 第十章第十章 原子核原子核3原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質2 2、原子核的質量、原子核的質量 原子核有質量。對原子核的描述或進行某些計算時，原子核有質量。對原子核的描述或進行某些計算時，往往用整個中性原子的質量數值。原子的總質量等于原往往用整個中性原子的質量數值。原子的總質量等于原子核的質量加核外電子的質量，再減去相當于電子全部子核的質量加核外電子的質量，再減去相當于電子全部結合能的數值。所以由原子總質量可以算出原子核

5、的質結合能的數值。所以由原子總質量可以算出原子核的質量。以后談到原子質量都指中性原子的總質量。量。以后談到原子質量都指中性原子的總質量。 第十章第十章 原子核原子核4原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質2 2、原子核的質量、原子核的質量 原子質量可以用質譜儀測得，也可以由其他方法推原子質量可以用質譜儀測得，也可以由其他方法推算。原子質量的質量通常用原子質量單位算。原子質量的質量通常用原子質量單位u u來表示來表示（1u=1.660551u=1.6605510-2710-27）。表）。表10.110.1開列了幾種核素的質開列了幾種核素的質量。用質量單位表示的核素質量都很

6、接近一個整數的，量。用質量單位表示的核素質量都很接近一個整數的，這個整數稱為各核素的質量數這個整數稱為各核素的質量數A A。如表中第二列中數字。如表中第二列中數字。第十章第十章 原子核原子核5原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質2 2、原子核的質量、原子核的質量 第十章第十章 原子核原子核6原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質2 2、原子核的質量、原子核的質量 第十章第十章 原子核原子核7原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質3 3、原子核的成分、原子核的成分 原子核是由質子和中子兩種粒子組成的。原子核是由質子和中子兩

7、種粒子組成的。 的原子的原子核只是一個質子，所以質子就是帶一個單位正電荷的最核只是一個質子，所以質子就是帶一個單位正電荷的最輕的氫核。中子是質量等于輕的氫核。中子是質量等于1.00866541.0086654質量單位的中性質量單位的中性粒子。由于這兩種粒子的質量數都是粒子。由于這兩種粒子的質量數都是1 1，所以，所以原子核的原子核的質量數質量數A A也代表構成這個原子核的質子和中子的總數也代表構成這個原子核的質子和中子的總數。代表原子核電量的代表原子核電量的Z Z也代表核內的質子數。也代表核內的質子數。N=A-ZN=A-Z是核內是核內的中子數。的中子數。質子和中子統(tǒng)稱核子質子和中子統(tǒng)稱核子。

8、11H第十章第十章 原子核原子核8原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質4 4、原子核的大小、原子核的大小 第十章第十章 原子核原子核9原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質4 4、原子核的大小、原子核的大小 第十章第十章 原子核原子核10原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質5 5、原子核的角動量、原子核的角動量 原子核具有角動量，它的總角動量等于原子核具有角動量，它的總角動量等于 ，I I為整數或半整數，稱為原子核的自旋量子數。原子核為整數或半整數，稱為原子核的自旋量子數。原子核的總角動量往往按照習慣稱為原子核的自旋。

9、同核外電的總角動量往往按照習慣稱為原子核的自旋。同核外電子的情況相仿，原子核角動量在任一方向可以觀察到的子的情況相仿，原子核角動量在任一方向可以觀察到的最大分量是最大分量是 。 一個原子核的總角動量是構成這個原子核的質子和一個原子核的總角動量是構成這個原子核的質子和中子的軌道角動量和它們的自旋角動量的矢量和。當原中子的軌道角動量和它們的自旋角動量的矢量和。當原子核被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的角動量不一定等于基態(tài)的角動量。子核被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的角動量不一定等于基態(tài)的角動量。 ()1I I +hIh第十章第十章 原子核原子核11原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質5 5、原子核的角動量

10、、原子核的角動量原子核的角動量可以從原子原子核的角動量可以從原子光譜的超精細結構、或從分光譜的超精細結構、或從分子光譜測得。表子光譜測得。表10.210.2中開中開列了一些原子核的列了一些原子核的I I值。可值。可以看到，具有偶數質量數以看到，具有偶數質量數A A的原子核的的原子核的I I值都是整數，值都是整數，奇數質量數的原子核的奇數質量數的原子核的I I值值都是半整數。都是半整數。 第十章第十章 原子核原子核12原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質6 6、原子核的磁矩、原子核的磁矩 原子核中帶電的質子的運動會產生磁場，所以原子原子核中帶電的質子的運動會產生磁場，所

11、以原子核具有磁矩。以后會了解中子也對原子核的磁矩有貢獻。核具有磁矩。以后會了解中子也對原子核的磁矩有貢獻。原子核的總磁矩，如同核外電子的情況，可以表達為原子核的總磁矩，如同核外電子的情況，可以表達為 （10.1-310.1-3）式中式中M M是質子的質量，是質子的質量，稱為核磁子。稱為核磁子。M M比電子質量大比電子質量大18361836倍，所以核磁子比玻爾磁子小倍，所以核磁子比玻爾磁子小18361836倍。因此原子核倍。因此原子核磁矩比原子磁矩要小得多。磁矩比原子磁矩要小得多。 ()()1122IIeegPgI IgI IMMmb=+=+h第十章第十章 原子核原子核13原子物理學10.1 1

12、0.1 原子核的基本性質原子核的基本性質6 6、原子核的磁矩、原子核的磁矩 原子核的原子核的g g因子的數值不能通過公式計算，只能由因子的數值不能通過公式計算，只能由實驗測得，其數值有正有負。實驗測得，其數值有正有負。 原子核磁矩可以用核磁共振等方法測得。表原子核磁矩可以用核磁共振等方法測得。表10.210.2中中的是核磁矩最大可能分量的數值，以核磁子為單位，因的是核磁矩最大可能分量的數值，以核磁子為單位，因此表中的數值就是此表中的數值就是IgIg。 第十章第十章 原子核原子核14原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩 由實驗可

13、知原子核的電荷分布不一定是球形對稱的。由實驗可知原子核的電荷分布不一定是球形對稱的。 當帶電體的電荷分布是球形對稱時，在體外離球心當帶電體的電荷分布是球形對稱時，在體外離球心R R處的電勢是處的電勢是q q是帶電體的總電荷。是帶電體的總電荷。 04qRfpe=第十章第十章 原子核原子核15原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩 非球形對稱分布的電荷所產生的電勢一般可表達為非球形對稱分布的電荷所產生的電勢一般可表達為 （10.1-410.1-4）式中第一項是單電荷的電勢，第二項是偶極子的電勢，式中第一項是單電荷的電勢，第二項是偶極

14、子的電勢，第三項是四極子的電勢。第三項是四極子的電勢。 123123a Ra Ra Rf-=+ L第十章第十章 原子核原子核16原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩例如高有點電荷的分布如圖例如高有點電荷的分布如圖10.1(a)10.1(a)所示，在箭頭方向所示，在箭頭方向上的電勢可以證明是上的電勢可以證明是 （10.1-510.1-5）圖圖10.1(b)10.1(b)的電荷分布同圖的電荷分布同圖10.1(a)10.1(a)是等效的?？芍鲜绞堑刃У??？芍鲜绞且粋€單電荷是一個單電荷2e2e和一個四極子聯合的電勢。和一個四極子聯

15、合的電勢。 第十章第十章 原子核原子核172201224eeaRRfpe輊犏=+犏臌原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩第十章第十章 原子核原子核18原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩如果電荷作旋轉橢球式的分布，在對稱軸上的電勢可以如果電荷作旋轉橢球式的分布，在對稱軸上的電勢可以表達為表達為所以旋轉橢球式的電荷分布等效于一個單電荷和一個四所以旋轉橢球式的電荷分布等效于一個單電荷和一個四極子的迭合。令極子的迭合。令 ，稱為電四極矩。，稱為電四極矩。 313aa

16、RRf=+32Qae=第十章第十章 原子核原子核19原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩可以證明原子核的電四極矩可以用下式表示：可以證明原子核的電四極矩可以用下式表示：式中式中a a為旋轉橢球中沿對稱軸的半徑，為旋轉橢球中沿對稱軸的半徑，b b為垂直于對稱軸為垂直于對稱軸最大圓截面的半徑，如圖最大圓截面的半徑，如圖10.210.2所示。所示。 ()2225QZ ab=-第十章第十章 原子核原子核20原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩 實驗證明原子核有電四極矩

17、存在，很多原子核的電實驗證明原子核有電四極矩存在，很多原子核的電荷分布是橢球式的。荷分布是橢球式的。 原子核的電荷分布對核外電子有影響，因此在原子原子核的電荷分布對核外電子有影響，因此在原子和分子光譜中和核磁共振中會顯示出來。通過這些現象和分子光譜中和核磁共振中會顯示出來。通過這些現象的觀測可以測定原子核的電四極矩。的觀測可以測定原子核的電四極矩。 第十章第十章 原子核原子核21原子物理學10.1 10.1 原子核的基本性質原子核的基本性質7 7、原子核的電四極矩、原子核的電四極矩表表10.310.3中開列了實驗測定的中開列了實驗測定的一些原子核的電四極矩。一些原子核的電四極矩。正號表示正號表

18、示 ，負號表示負號表示 。 ,0ab Q,0ab Q92Z92的人工放射物，衰變后連的人工放射物，衰變后連接在三個天然放射系上，圖中沒有畫出。接在三個天然放射系上，圖中沒有畫出。 第十章第十章 原子核原子核21082Pb20682PbUUI23892U23492U56原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變3 3、衰變衰變 原子核放射出來的原子核放射出來的粒子具有一定的速度，也就是說有粒子具有一定的速度，也就是說有一定的動能。經過物質能量逐漸損失，直到能量損失完畢，一定的動能。經過物質能量逐漸損失，直到能量損失完畢，它不再前進，就消失了。所以它不再前進，就消失了。所以粒子

19、按它的初速或初能量的粒子按它的初速或初能量的大小有一定的射程，通過對射程的測量可以測出大小有一定的射程，通過對射程的測量可以測出粒子的初粒子的初能量。能量。 粒子通過物質的實際距離與物質的密度有關。例如在粒子通過物質的實際距離與物質的密度有關。例如在減壓的空氣中射出的距離要比一個大氣壓的空氣中遠。減壓的空氣中射出的距離要比一個大氣壓的空氣中遠。 第十章第十章 原子核原子核57原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變3 3、衰變衰變 第十章第十章 原子核原子核58原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變3 3、衰變衰變 第十章第十章 原子核原子核59原

20、子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變3 3、衰變衰變（2 2）衰變能）衰變能第十章第十章 原子核原子核60原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變3 3、衰變衰變（2 2）衰變能）衰變能第十章第十章 原子核原子核61原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變3 3、衰變衰變（2 2）衰變能）衰變能第十章第十章 原子核原子核62原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變第十章第十章 原子核原子核63原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（1 1）衰變的三種情況衰變的三種情

21、況 原子核中不存在電子，原子核中不存在電子，衰變時發(fā)出的電子認為是臨衰變時發(fā)出的電子認為是臨時產生的。在放出負電子的情形，原子核中一個中子放出時產生的。在放出負電子的情形，原子核中一個中子放出一個負電子，變?yōu)橐粋€質子；在放出正電子的情形，原子一個負電子，變?yōu)橐粋€質子；在放出正電子的情形，原子核中一個質子放出一個正電子，變?yōu)橹凶?；在核中一個質子放出一個正電子，變?yōu)橹凶?；在K K俘獲的情形，俘獲的情形，原子核中一個質子吸收一個電子變?yōu)橹凶?。原子核中一個質子吸收一個電子變?yōu)橹凶?。第十章第十?原子核原子核64原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（2 2）射線

22、的能量和能譜射線的能量和能譜能量的計算能量的計算 基本原理還是根據在磁場中帶電粒子路徑的彎曲。垂基本原理還是根據在磁場中帶電粒子路徑的彎曲。垂直于磁場運動的帶電粒子的動量為直于磁場運動的帶電粒子的動量為 (10.2-8)(10.2-8) 用相對論的能量公式可得其動能為用相對論的能量公式可得其動能為第十章第十章 原子核原子核pmvBer=()1 22222200Ec pm cm c輊=+-犏臌65原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的能量和能譜能量的計算能量的計算 第十章第十章 原子核原子核66原子物理學10.2 10.2

23、原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的能量和能譜能譜的特點能譜的特點 一是連續(xù)分布；一是連續(xù)分布； 二是存在最大值；二是存在最大值； 三是射線強度最高處的能量約等于最大能量值的三是射線強度最高處的能量約等于最大能量值的1/31/3。如圖如圖10.610.6所示。所示。第十章第十章 原子核原子核67原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的能量和能譜第十章第十章 原子核原子核68原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（2 2）射線的能量和能譜射線的

24、能量和能譜第十章第十章 原子核原子核69原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 最后設想原子核發(fā)射最后設想原子核發(fā)射電子時，同時發(fā)出一粒質量很小電子時，同時發(fā)出一粒質量很小或幾乎是零的中性粒子，稱為或幾乎是零的中性粒子，稱為中微子中微子。因為它是中性的，所。因為它是中性的，所以未能直接觀察到。關于能量連續(xù)分布是這樣的情況：以未能直接觀察到。關于能量連續(xù)分布是這樣的情況：衰衰變能是有一定數值，這能量被三個粒子（電子、中微子和剩變能是有一定數值，這能量被三個粒子（電子、中微子和剩下的原子核下的原子核) )分占，由于有各種不同的分配，電

25、子分得的能量分占，由于有各種不同的分配，電子分得的能量就可以從零連續(xù)變化到一個最大值。三個粒子的動量的矢量就可以從零連續(xù)變化到一個最大值。三個粒子的動量的矢量和應等于零，但是角度的關系可以有各種情況，因此動量的和應等于零，但是角度的關系可以有各種情況，因此動量的分配有各種情況，因而能量的分配也有各種情況。分配有各種情況，因而能量的分配也有各種情況。第十章第十章 原子核原子核70原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子圖圖10.710.7顯示幾種情況。顯示幾種情況。 第十章第十章 原子核原子核71原子物理學10.2 10.2 原子核的

26、放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 （a)a)圖表示電子（圖表示電子（)和剩核（和剩核（A)A)在相反方向射出；中微在相反方向射出；中微子（子（）在垂直方向射出，分得的動量等于零，因而能量也）在垂直方向射出，分得的動量等于零，因而能量也等于零，衰變能被電子和剩核分占。電子的動量和剩核的動等于零，衰變能被電子和剩核分占。電子的動量和剩核的動量相等相反，但是電子的質量比剩核的質量小得多，電子分量相等相反，但是電子的質量比剩核的質量小得多，電子分得的能量要比剩核分得的大得多，差不多等于全部衰變能。得的能量要比剩核分得的大得多，差不多等于全部衰變能。這就是這就是能譜上的最

27、大能量值。能譜上的最大能量值。 第十章第十章 原子核原子核72原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 （b b）圖表示中微子和剩核在相反方向射出；電子（）圖表示中微子和剩核在相反方向射出；電子（）在垂直方向射出，因而動量等于零，能量也就等于零，這是在垂直方向射出，因而動量等于零，能量也就等于零，這是能譜中能量等于零的情況。能譜中能量等于零的情況。 （c c）圖表示三個粒子的動量都不等于零，電子取得的能）圖表示三個粒子的動量都不等于零，電子取得的能量決定于三個粒子的角度關系，電子的能量一定在（量決定于三個粒子的角度關系，電子的能量一

28、定在（a a）、）、（b b）兩個極端情況之間，而且從統(tǒng)計考慮，取得中等數值的）兩個極端情況之間，而且從統(tǒng)計考慮，取得中等數值的幾率大，因而這樣的電子數目多。這就充分說明了幾率大，因而這樣的電子數目多。這就充分說明了能譜的能譜的情況。情況。第十章第十章 原子核原子核73原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變（3 3）中微子）中微子 至于角動量問題，至于角動量問題，衰變時，原子核的質量數不變，那衰變時，原子核的質量數不變，那么在衰變前后么在衰變前后, , 原子核的角動量是的整數倍或半整數倍的性原子核的角動量是的整數倍或半整數倍的性質也不會變。而電子的自旋量

29、子數是質也不會變。而電子的自旋量子數是1/21/2，那么中微子的自旋，那么中微子的自旋量子數必須是半整數，把它定為量子數必須是半整數，把它定為1/2 1/2 是合理的。這樣，角動是合理的。這樣，角動量的問題解決了。量的問題解決了。 關于統(tǒng)計性問題，剩核的質量數不變，所以統(tǒng)計性不變，關于統(tǒng)計性問題，剩核的質量數不變，所以統(tǒng)計性不變，電子是費米子，要求中微子也是費米子，這樣統(tǒng)計性問題也電子是費米子，要求中微子也是費米子，這樣統(tǒng)計性問題也解決了。解決了。第十章第十章 原子核原子核74原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核75原子物理學

30、10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核76原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變4 4、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核77原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（1 1）衰變方程）衰變方程 處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過發(fā)射處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過發(fā)射射線躍遷到基態(tài)，射線躍遷到基態(tài)，射線是光子。其衰變方程為：射線是光子。其衰變方程為： 第十章第十章 原子核原子核()AAZZXXg+光子78原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（1 1

31、）衰變方程）衰變方程 射線的能量可以用不同方法測量，能量較低的可以用射線的能量可以用不同方法測量，能量較低的可以用晶體中衍射的方法，如同測量晶體中衍射的方法，如同測量X X 射線的能量那樣。原子核能射線的能量那樣。原子核能級的躍遷實質上是它里邊電荷分布的變動或電流的變動。電級的躍遷實質上是它里邊電荷分布的變動或電流的變動。電荷的分布可以用電偶極子、四極子等來描述。所以荷的分布可以用電偶極子、四極子等來描述。所以射線可射線可以用原子核的電和磁的多極子輻射來描述。以用原子核的電和磁的多極子輻射來描述。第十章第十章 原子核原子核79原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5

32、、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核的輻射躍遷遵循的三個守恒定律輻射躍遷遵循的三個守恒定律第十章第十章 原子核原子核80原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核的輻射躍遷遵循的三個守恒定律輻射躍遷遵循的三個守恒定律第十章第十章 原子核原子核81原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核的輻射躍遷遵循的三個守恒定律輻射躍遷遵循的三個守恒定律第十章第十章 原子核原子核82原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（2 2）原子核的）原子核

33、的輻射躍遷遵循的三個守恒定律輻射躍遷遵循的三個守恒定律宇稱守恒宇稱守恒 原子核的宇稱在發(fā)射原子核的宇稱在發(fā)射射線時其奇偶性要變還是不變，這可射線時其奇偶性要變還是不變，這可歸納如下表。歸納如下表。第十章第十章 原子核原子核83原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（3 3）內變換）內變換 原子核中還是有非輻射躍遷的，其中之一就是內變換。原子核中還是有非輻射躍遷的，其中之一就是內變換。射線譜中，有時除經常的連續(xù)射線譜中，有時除經常的連續(xù)譜外，還觀察到一些尖銳譜外，還觀察到一些尖銳的譜線，這些是具有單值能量的電子。經研究，知道這些電的譜線，這些是具有單值能量

34、的電子。經研究，知道這些電子來源于核外電子層。內變換過程中，核外電子是直接從原子來源于核外電子層。內變換過程中，核外電子是直接從原子核取得能量的。子核取得能量的。第十章第十章 原子核原子核84原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變第十章第十章 原子核原子核85原子物理學10.2 10.2 原子核的放射衰變原子核的放射衰變5 5、衰變衰變（5 5）同質異能素）同質異能素 有些具有相同質量數有些具有相同質量數A A和電荷數和電荷數Z Z的原子核有明顯不同的的原子核有明顯不同的放射半衰期，這些稱為同質異能素。其實這是處于不同激發(fā)放射半衰期，這些稱為同質異能素。

35、其實這是處于不同激發(fā)態(tài)的同一種原子核。習慣上把那些半衰期足夠長因而測得出態(tài)的同一種原子核。習慣上把那些半衰期足夠長因而測得出的激發(fā)態(tài)稱作同質異能態(tài)。的激發(fā)態(tài)稱作同質異能態(tài)。 作業(yè)：作業(yè)：P369 3P369 3。第十章第十章 原子核原子核86原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用 帶電快速粒子和光子同實物能發(fā)生相互作用，從而可帶電快速粒子和光子同實物能發(fā)生相互作用，從而可以研究射線的性質和其發(fā)射過程。這些作用也是觀察射線以研究射線的性質和其發(fā)射過程。這些作用也是觀察射線方法的基礎。正因射線同實物的相互作用，各種射線及其方法的基礎。正因

36、射線同實物的相互作用，各種射線及其發(fā)射物在生產上和科學研究工作中有廣泛的應用。發(fā)射物在生產上和科學研究工作中有廣泛的應用。第十章第十章 原子核原子核87原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用 本段討論質子、氘核、本段討論質子、氘核、粒子和類似的帶電粒子被吸粒子和類似的帶電粒子被吸收的情況。收的情況。 具有一定能量的重粒子，具有一定能量的重粒子，例如例如粒子，在實物中有一粒子，在實物中有一定的射程。圖定的射程。圖10.810.8是是RaCRaC的的射線在云室中的徑跡。射線在云

37、室中的徑跡。 第十章第十章 原子核原子核88原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用 用計數器也可以計取用計數器也可以計取粒子的數目。這類觀測方法都粒子的數目。這類觀測方法都是利用是利用粒子在它的路徑中對物質的原子、分子發(fā)生碰撞粒子在它的路徑中對物質的原子、分子發(fā)生碰撞而產生激發(fā)和電離作用，由此產生的離子在直接觀察的儀而產生激發(fā)和電離作用，由此產生的離子在直接觀察的儀器中能顯示出粒子的徑跡，在計數器中發(fā)生計數作用。器中能顯示出粒子的徑跡，在計數器中發(fā)生計數作用。粒粒子有一定的

38、射程說明在路徑中粒子逐漸失去能量，最后能子有一定的射程說明在路徑中粒子逐漸失去能量，最后能量損失完，速度減到零，就不再前進，達到了射程的末端量損失完，速度減到零，就不再前進，達到了射程的末端。所以所以對同一類粒子，能量大的射程長對同一類粒子，能量大的射程長。 第十章第十章 原子核原子核89原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用 粒子在空氣中時，其路徑粒子在空氣中時，其路徑各點的速度和單位長度中產生的各點的速度和單位長度中產生的離子對數均可以用實驗方法測出。離子對數均可以用實

39、驗方法測出。圖圖10.910.9是是粒子在粒子在1515和和1 1大氣大氣壓的空氣中的速度和電離量的變壓的空氣中的速度和電離量的變化。化。 第十章第十章 原子核原子核90原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用 圖中橫坐標標出圖中橫坐標標出剩余射程剩余射程，這是指，這是指在路徑中從測得上在路徑中從測得上述兩種量的某一點起還能前進的距離述兩種量的某一點起還能前進的距離。粒子的射程粒子的射程R R同速同速度度v v和能量和能量E E有下列近似關系：有下列近似關系： 各種粒子的射程

40、和能量的關系可以由實驗測定，并用曲線各種粒子的射程和能量的關系可以由實驗測定，并用曲線表示出來。以后通過測定射程就可以知道能量。表示出來。以后通過測定射程就可以知道能量。第十章第十章 原子核原子核33 2RvE檔91原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用 重粒子在單位長度的徑跡中的能量損失重粒子在單位長度的徑跡中的能量損失-dE/dx-dE/dx可以從可以從測出單位長度上的離子對數測出單位長度上的離子對數n n算得，即算得，即 這里這里是產生一對離子所需的平均能量。是產生一

41、對離子所需的平均能量。 第十章第十章 原子核原子核dEndxe-=92原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用在標準大氣壓中，在標準大氣壓中，=32.5eV/離子對。離子對。-dE/dx從理論可推得從理論可推得式中式中Z是重粒子的電量數，是重粒子的電量數，v是它的速度，是它的速度，f（v）在理論中）在理論中可以明確寫出。所以如果知道重粒子的電量，那么測出能可以明確寫出。所以如果知道重粒子的電量，那么測出能量損失量損失-dE/dx就可以得出重粒子的速度。知道能量和速度就可以得出

42、重粒子的速度。知道能量和速度后，也就可以知道粒子的質量。后，也就可以知道粒子的質量。 第十章第十章 原子核原子核( )2dEZ f vdx-=93原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用1 1、帶電重粒子同實物的相互作用、帶電重粒子同實物的相互作用 又可以證明，對兩種重粒子，如果速度相同，則又可以證明，對兩種重粒子，如果速度相同，則所以對重粒子以測得射程和單位長度徑跡中能量的損失為所以對重粒子以測得射程和單位長度徑跡中能量的損失為根據，可以研究粒子的能量、速度、質量、電量等性質。根據，可以研究粒子的能量、速度、質量、電量等性質。第十章第

43、十章 原子核原子核22212112RMZRM Z=94原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用 電子通過實物時，可以發(fā)生彈性散射、非彈性碰撞電子通過實物時，可以發(fā)生彈性散射、非彈性碰撞（非彈性散射）和軔致輻射。（非彈性散射）和軔致輻射。(1)(1)彈性散射彈性散射 電子射經實物時，受實物電荷的庫侖場的作用，路徑電子射經實物時，受實物電荷的庫侖場的作用，路徑偏離原方向。如果能量不變，這稱為偏離原方向。如果能量不變，這稱為彈性散射彈性散射。由于電子。由于電子的質量比較小，散射現象比較

44、顯著。電子經過實物如空氣、的質量比較小，散射現象比較顯著。電子經過實物如空氣、液體、金屬薄膜等的情況不同，由于多次散射，累加起來液體、金屬薄膜等的情況不同，由于多次散射，累加起來成為大角偏轉，所以在原方向前進的電子數目逐漸減少。成為大角偏轉，所以在原方向前進的電子數目逐漸減少。這與重粒子散射不同。這與重粒子散射不同。 第十章第十章 原子核原子核95原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用(1)(1)彈性散射彈性散射 圖10.10顯示粒子散射和電子散射的差別。 第十章第十章 原子核

45、原子核96原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用(2)(2)非彈性碰撞的能量損失非彈性碰撞的能量損失 電子通過實物時，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，在這些過電子通過實物時，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，在這些過程中電子失去能量，這稱為程中電子失去能量，這稱為非彈性碰撞非彈性碰撞（或（或非彈性散射非彈性散射）。）。這種能量損失與電子所具有的這種能量損失與電子所具有的能量大小有關。如圖能量大小有關。如圖10.1110.11中曲中曲線線(1)(1)所示。所示。 第十章第十章 原子核原子核97原子物理

46、學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用(2)(2)非彈性碰撞的能量損失非彈性碰撞的能量損失 能量較小時（大約在能量較小時（大約在2MeV2MeV以下以下) )，單位距離中能量的損，單位距離中能量的損失與速度的平方成反比。隨電子能量的增加，損失減到最失與速度的平方成反比。隨電子能量的增加，損失減到最低值。到了相對論性能量值，損失又略上升。低值。到了相對論性能量值，損失又略上升。 重粒子的碰撞損失與電子的相仿，有相似形狀的曲線。重粒子的碰撞損失與電子的相仿，有相似形狀的曲線。第十章第十章

47、原子核原子核98原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用(2)(2)非彈性碰撞的能量損失非彈性碰撞的能量損失 曲線表示的最低損失與粒子的質量無關，只與電荷有曲線表示的最低損失與粒子的質量無關，只與電荷有關關。因此如果電荷相同，不同質量的粒子的最低能量損失。因此如果電荷相同，不同質量的粒子的最低能量損失值是相同的，所以在云室、氣泡室、乳膠中，具有相對論值是相同的，所以在云室、氣泡室、乳膠中，具有相對論性能量的質子和電子的徑跡是難以分辨的。性能量的質子和電子的徑跡是難以分辨的。 第十

48、章第十章 原子核原子核99原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用(3)(3)由于軔致輻射的能量損失由于軔致輻射的能量損失 電子經過原子核附近，由于受庫侖場的作用而產生加電子經過原子核附近，由于受庫侖場的作用而產生加速度，這樣，電子就有電磁輻射。這樣的輻射損失只有電速度，這樣，電子就有電磁輻射。這樣的輻射損失只有電子能量較高時才顯出來。如圖子能量較高時才顯出來。如圖10.1110.11曲線曲線(2)(2)所示。所示。 實驗和理論表明，實驗和理論表明，輻射損失隨吸收物的原子序數輻射

49、損失隨吸收物的原子序數Z Z的增的增加而增加，隨電子的能量的增加而增加加而增加，隨電子的能量的增加而增加。對重粒子有相仿。對重粒子有相仿的規(guī)律。但這樣的能量損失是隨粒子質量的增加而減低的，的規(guī)律。但這樣的能量損失是隨粒子質量的增加而減低的，所以所以對重粒子這損失是相當微小對重粒子這損失是相當微小的。的。 第十章第十章 原子核原子核100原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用（4 4）電子的能量和射程）電子的能量和射程 由于多次散射，具有同一能量的電子通過吸收物時也由于多次散射，

50、具有同一能量的電子通過吸收物時也要逐漸減少。減少的情況可以近似地表達如下：要逐漸減少。減少的情況可以近似地表達如下：式中式中 為初進吸收物的電子數目，為初進吸收物的電子數目，N N為通過厚度為為通過厚度為d d的電子的電子數目。這些電子數目可以用計數器測出。數目。這些電子數目可以用計數器測出。 第十章第十章 原子核原子核0dNN em-=0N101原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用（4 4）電子的能量和射程）電子的能量和射程具有相同能量的電子雖不象重粒子有相同的射程，但它的

51、具有相同能量的電子雖不象重粒子有相同的射程，但它的最大射程是有一確定值的。取上式對數，即有最大射程是有一確定值的。取上式對數，即有 把把 對對d d作圖，應得一直線。根作圖，應得一直線。根據實驗數據作圖，有一段是直線，據實驗數據作圖，有一段是直線，把這直線延長截本底上一點，就是把這直線延長截本底上一點，就是最大射程最大射程R R（見圖（見圖10.12)10.12)。 第十章第十章 原子核原子核0lnlnNNdm=-ln N102原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用2 2、快速電子對實物的相互作用、快速電子對實物的相互作用（4 4）電

52、子的能量和射程）電子的能量和射程 對不同能量的射線，用這方法求得相應的射程，就可作出能量與射程關系的曲線圖（如圖10.13)，以后可以用此圖由射程求電子能量。 第十章第十章 原子核原子核103原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用第十章第十章 原子核原子核104原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用 射線在實物中的衰減的原因有兩種：一種是真的吸射線在實物中的衰減的原因有兩種：一種是真的吸收

53、，另一種是散射。因此收，另一種是散射。因此 (10.3-2)(10.3-2)是吸收系數，是吸收系數，是散射系數。是散射系數。第十章第十章 原子核原子核mtt=+105原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用（1）截面的概念）截面的概念 設有一束設有一束射線垂直射在一片吸收物的面上，如圖射線垂直射在一片吸收物的面上，如圖10.14所示。吸收物的厚度為所示。吸收物的厚度為x，設吸收物的單位體積中有，設吸收物的單位體積中有N粒原粒原子。如果子。如果射線束的橫截面為射線束的橫截面為A，那么，那么它經過

54、那片吸收物會遇到粒原子。設每它經過那片吸收物會遇到粒原子。設每一原子擋住一原子擋住射線的面積為射線的面積為，稱為原，稱為原子截面。那么遮擋這束子截面。那么遮擋這束射線的總面積射線的總面積是是 。 第十章第十章 原子核原子核NNA xssD=D106原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用 第十章第十章 原子核原子核107原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用 第十章第十章 原子核原子核108

55、原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用（2 2）吸收物對光子的吸收）吸收物對光子的吸收 第十章第十章 原子核原子核109原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用 光子能量超過光子能量超過1.02MeV時，在原子核的庫侖場中有可時，在原子核的庫侖場中有可能被吸收而產生一對電子，正負各一。同一粒電子的質量能被吸收而產生一對電子，正負各一。同一粒電子的質量相聯系的能量是相聯系的能量是0.51MeV

56、，所以產生一對電子至少需要，所以產生一對電子至少需要1.02MeV的能量。如果要觀察到這個現象，電子還需要具的能量。如果要觀察到這個現象，電子還需要具有動能才能飛出，所以需要光子的能量比有動能才能飛出，所以需要光子的能量比1.02MeV要大。要大。產生的幾率是隨光子能量增加的。產生的幾率是隨光子能量增加的。 第十章第十章 原子核原子核110原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用 光子轉變?yōu)殡娮优夹枰芰亢蛣恿客瑫r守恒。孤立的光子光子轉變?yōu)殡娮优夹枰芰亢蛣恿客瑫r守恒。孤立的光子不能轉變?yōu)橐粚?/p>

57、電子，因為能量和動量不能同時守恒。所以產不能轉變?yōu)橐粚﹄娮?，因為能量和動量不能同時守恒。所以產生電子偶必須在另一個粒子附近，例如原子核。生電子偶必須在另一個粒子附近，例如原子核。 對光子轉變?yōu)橐粚φ撾娮?，或相反的過程，有人說成是對光子轉變?yōu)橐粚φ撾娮?，或相反的過程，有人說成是質量和能量相互轉變，或甚至說是物質和能量的相互轉變質量和能量相互轉變，或甚至說是物質和能量的相互轉變, ,這這是不正確的。光子和電子都是物質，它們的相互轉變只是物質是不正確的。光子和電子都是物質，它們的相互轉變只是物質形式的轉變，是場和實物的轉變，而場和實物都是物質。至于形式的轉變，是場和實物的轉變，而場和實物都是物質

58、。至于質量和能量，在光子和電子轉變前后是相等的，質量和相聯系質量和能量，在光子和電子轉變前后是相等的，質量和相聯系的能量都是守恒的。的能量都是守恒的。第十章第十章 原子核原子核111原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3 3、射線同實物的相互作用射線同實物的相互作用 相反的過程也曾觀察到，就是一對正負電子相遇，可以湮相反的過程也曾觀察到，就是一對正負電子相遇，可以湮沒而成為光子。在湮沒前，一對正負電子先構成一個如同氫原沒而成為光子。在湮沒前，一對正負電子先構成一個如同氫原子那樣的體系，稱為子那樣的體系，稱為電子偶素電子偶素。在電子偶

59、素中，二電子的自旋。在電子偶素中，二電子的自旋可能同向或反向，電子自旋同向的情形稱可能同向或反向，電子自旋同向的情形稱正電子偶素正電子偶素，平均壽，平均壽命是命是 秒，電子湮沒時放出三個光子。自旋反向的情形稱秒，電子湮沒時放出三個光子。自旋反向的情形稱仲仲電子偶素電子偶素，平均壽命是，平均壽命是 秒，電子湮沒時放出兩個光子。三秒，電子湮沒時放出兩個光子。三個和兩個光子的不同是由于角動量守恒的要求。個和兩個光子的不同是由于角動量守恒的要求。第十章第十章 原子核原子核710-1010-112原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實物的相互作用和放射性的應用3、射線同

60、實物的相互作用射線同實物的相互作用 射線在實物中三種吸收過程隨射線能量的變化如圖射線在實物中三種吸收過程隨射線能量的變化如圖10.1510.15所示。我們可以看到光電效應和康普頓效應這兩種方式所示。我們可以看到光電效應和康普頓效應這兩種方式的光子能量的被吸收隨射線能量的光子能量的被吸收隨射線能量的增加而減弱。電子偶的出現在的增加而減弱。電子偶的出現在光子能量高出光子能量高出1.02MeV1.02MeV以后，而以后，而且這個方式的吸收隨射線能量增且這個方式的吸收隨射線能量增加而增加。加而增加。第十章第十章 原子核原子核113原子物理學10.3 10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用射線同實